基于反求技术的人工膝关节模具设计及力学分析

发布时间：2017-10-15 21:33

  本文关键词：基于反求技术的人工膝关节模具设计及力学分析

  更多相关文章： 膝关节 有限元分析 反求 模具设计

【摘要】：人工膝关节设计与制造涉及到多个学科，需要将多个学科的知识结合起来，属于多学科研究的范畴。现今，国内的人工关节设计和制造水平和国外相比还存在着很大的差别，而从国外进口的人工关节一般都是按照欧美国家人体关节的尺寸范围设计。甚至在某些情况，与国内患者需要替换的关节尺寸不符，而国内自主设计的假体，由于缺少大量的实验总结，设计过程中难以和实际环境结合，易缩短人工关节的使用寿命。本文从人工关节的模型还原、假体测量设计、假体模具设计、模拟关节置换后的受力分析等几个方面进行研究分析。 1.对CT图像进行反求，生成人体膝关节的三维模型。通过对模型的关键尺寸进行测量，最终确定的模拟弯曲曲线的4段圆弧半径分别为，R1=10mm，R2=34.5mm，R3=30mm，，R4=20mm。切割偏移尺寸T1=5mm，T2=10mm，T3=5mm，前视图圆弧半径为25mm。确定胫骨平台厚度为3mm，人工半月板厚度为8mm，最终完成模型的设计。 2.通过Moldflow软件对人工半月板进行了模流分析，获得了填充时间为3.118s，确定了半月板侧边为浇注入口，设置了4组冷却管，距模型上下表面15mm，管间距30mm，管径8mm。经过分析，当入水温度为25℃时，出水口温度为25.33℃。最大填充压力为30.18MPa，发生在3.086s；最大锁模力为9.44t，发生在4.143s；根据制件顶出结果可知填充、冷却、保压的总时间为44.17s。根据模型确定模仁尺寸为120×90×50mm，选取模架型号为FUTABA_S型，模架尺寸200×300mm，选定注塑机型号为SZA-YY60，校核注塑机及模架，满足要求。 3.对人工膝关节进行了单脚直立状况的有限元静力分析，利用耦合的方式，对股骨与人工半月板的装配进行定义。利用简化的力学模型，求解出施加到股骨上的集中力大小为652.13N，并将此力施加于股骨上表面。经计算得知，整体模型最大应力值为7.753MPa，发生在股骨滑面与股骨接合部位。人工半月板最大应力值为0.42098MPa，其值小于超高分子聚乙烯的最小抗拉强度50MPa，满足材料强度要求。
【关键词】：膝关节 有限元分析 反求 模具设计
【学位授予单位】：广西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TG76;R318.17
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-14
• 1.2.1 人工关节置换术10-11
• 1.2.2 断层扫描技术11-12
• 1.2.3 有限元仿真在生物力学研究中的应用12-14
• 1.3 人工膝关节设计研究的目的和意义14-16
• 1.3.1 研究目的15-16
• 1.3.2 研究意义16
• 1.4 研究的主要内容及方法16-17
• 1.4.1 拟解决的关键问题16
• 1.4.2 研究途径与方法16-17
• 第二章 膝关节的反求建模与人工膝关节的结构设计17-34
• 2.1 Mimics 软件介绍17-18
• 2.2 CT 图像的采集及预处理18-24
• 2.2.1 采集条件18
• 2.2.2 CT 图像的预处理18-24
• 2.3 人工膝关节的结构设计24-33
• 2.3.1 膝关节模型的反求设计24-27
• 2.3.2 基于 UG 软件的人工膝关节结构设计27-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 人工半月板的模具设计34-55
• 3.1 注射模具分类与结构34-36
• 3.1.1 注射模具分类34-35
• 3.1.2 典型结构35-36
• 3.2 基于 Moldflow 的人工半月板模流分析36-47
• 3.2.1 浇口位置分析36-38
• 3.2.2 填充分析38-41
• 3.2.3 冷却分析41-42
• 3.2.4 翘曲分析42-43
• 3.2.5 查看分析日志43-47
• 3.3 基于 UG 软件的人工半月板模具设计47-54
• 3.3.1 注塑设备的选择及参数校核47-51
• 3.3.2 分型面的选择51-52
• 3.3.3 浇注与排气系统的设计52-53
• 3.3.4 冷却系统的设计53-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 人工膝关节受力有限元分析55-66
• 4.1 有限元的基本理论概述55-56
• 4.1.1 有限元法的基本介绍55-56
• 4.1.2 有限元分析法的假设56
• 4.2 膝关节受力仿真分析56-65
• 4.2.1 膝关节有限元模型56-57
• 4.2.2 基于 workbench 的膝关节有限元分析57-65
• 4.3 本章小结65-66
• 第五章 结论与展望66-68
• 5.1 工作总结66
• 5.2 研究展望66-68
• 参考文献68-71
• 附：攻读硕士期间所发表的学术论文71-72
• 致谢72-73

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 付伟;范士娟;张海;;注塑模具设计中浇口位置和结构形式的选用[J];工程塑料应用;2007年10期

2 李健;;梯度压力在人工关节置换术后治疗深静脉血栓疗效观察[J];当代医学;2011年13期

3 张祚福;王万春;;膝关节三维有限元分析[J];国际骨科学杂志;2006年02期

4 陈战,王家序,秦大同;超高分子量聚乙烯的性能及在机械中的应用[J];机械工程材料;2001年08期

5 胡杨;董跃福;徐卿荣;董英海;胡广洪;;全膝关节置换股骨假体植入定位参数有限元分析及优化[J];临床骨科杂志;2012年03期

6 赵斌修;王坤正;王春生;田振兴;陈晓亮;;人工全膝关节置换术后胫骨侧有限元模型的建立[J];实用骨科杂志;2011年03期

7 鲍春雨;孟庆华;;基于有限元法人体膝关节生物力学模型的建立与分析[J];武汉体育学院学报;2010年05期

8 郑玉峰;奚廷斐;魏世成;;骨科器械国内外产业状况[J];新材料产业;2007年11期

9 马剑雄;马信龙;张清功;张_";王志钢;;三维有限元模型评价股骨正常站立位的生物力学特性[J];中国组织工程研究与临床康复;2008年35期

10 贾如宝;钴铬钼合金与几何膝[J];中国钼业;1995年05期

中国博士学位论文全文数据库 前3条

1 刘明;全膝关节置换术后关节线变化对髌股关节生物力学影响的有限元分析[D];中国人民解放军军医进修学院;2009年

2 郭媛;全膝关节在不同运动状态下的有限元仿真研究[D];太原理工大学;2009年

3 王竞鹏;下颌角区域应用解剖及相关三维重建测量研究[D];南方医科大学;2010年

本文编号：1038853